Bài giảng Năng lượng bức xạ mặt trời

NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ MẶT TRỜI I. GIỚI THIỆU - Mặt trời là một định tinh hình cầu trong thái dương hệ - Đường kính 1,39 triệu km - Khỏang cách đến trái đất 149,5 triệu km - Mặt trời là một lò phản ứng hạt nhân khổng lồ, trung bình Mặt trời phát ra một công suất khoảng 3,8x1020 MW - Khi đi qua bầu khí quyển Trái đất, bức xạ mặt trời bị phản xạ và bị hấp thụ, khi đến được trái đất có khoảng 1,05 x 1018 KWh - Nhiệt độ ở tâm từ 15x106 đến 40x106 oC. Tuy nhiên nhiệt độ bề mặt chỉ khoảng 6.000oC - Thành phần hóa học vỏ ngòai của Mặt trời gồm 71% hydro; 26.5% helium; và 2.5% các kim loại nặng - Cấu trúc vật lý của Mặt trời gồm Lõi Quang quyển Lớp nghịch đảo Sắc quyển Hào quang - Tại tâm của Mặt Trời, các phản ứng tổng hợp hạt nhân chuyển hóa hyđrô thành hêli xảy ra liên tục. - Cứ mỗi giây có khoảng 8,9×1037 prôton (hạt nhân hiđrô) được chuyển hóa thành hạt nhân hêli. - Năng lượng Mặt trời là năng lượng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt trời, dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa. - Tốc độ truyền trong không gian 300.000km/s - Từ trường Mặt Trời:  Mọi vật chất trong Mặt Trời đều ở dạng plasma vì nhiệt độ cực cao  Mặt Trời quay nhanh tại xích đạo của nó hơn là ở các vĩ độ cao  Sự tự quay chênh lệch theo các vĩ độ của Mặt Trời làm cho các dòng plasma xoắn vặn với nhau và gây nên các vết đen và vết sáng trên bề mặt Mặt trời và phóng vào không gian tạo ra từ trường Mặt trời  Khi tần suất vết đen mặt trời tăng cao, các dòng điện tích được phóng ra mạnh mẽ từ Mặt Trời (còn gọi là gió Mặt Trời), tác động lên khí quyển Trái Đất, tạo ra các cơn bão từ và rối loạn vô tuyến. - Hằng số Mặt Trời - Là cường độ bức xạ mặt trời ở giới hạn ngoài của lớp khí quyển Trái đất được nhận bởi 1 mặt phẳng đặt vuông góc với các tia tới ở khỏang không gian giữa mặt trời và trái đất - Hằng số mặt trời chỉ có giá trị tương đối, chúng tùy thuộc vào khoảng cách từ trái đất đến mặt trời, giá trị của chúng biến thiên từ 1360 đến 1380Wm-2  Mặt Trời là nguồn năng lượng khổng lồ và được xem là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất Năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng điều khiển các quá trình khí tượng học và duy trì sự sống trên Trái Đất Bức xạ mặt trời quyết định nhiệt độ bề mặt trái đất Bức xạ mặt trời tạo ra đất trồng do sự chênh lệch nhiệt độ trên vỏ trái đất làm cho đá bị nứt dần, vỡ vụn và dần dần thành đất cho thực vật phát triển. II. NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ MẶT TRỜI Thành Phần Quang Phổ của Bức Xạ Mặt Trời Bức xạ mặt trời là sóng điện từ có bước sóng từ 0,2 – 24,0, được chia thành 3 dãy khác nhau  Bước sóng từ 0,2 – 0,39 được gọi là các tia tử ngoại (ultraviolet) (phần lớn bị O3 hấp thu trong tầng bình lưu)  Bước sóng từ 0,39 – 0,76 được gọi là các tia trông thấy (visible) (di chuyển trong không gian với vận tốc khoảng 300.000m.s-1)  Bước sóng từ 0,76 – 24,0 được gọi là các tia hồng ngoại (infracted) Cường độ Bức Xạ Mặt Trời Cường độ bức xạ mặt trời là năng lượng bức xạ chiếu xuống mặt đất trên một đơn vị diện tích đặt vuông góc với tia tới trong một đơn vị thời gian (đơn vị cal.cm-2.s-1, cal.cm-2.h-1, Kcal.cm-2.y-1) Cường độ bức xạ mặt trời thay đổi theo không gian và thời gian Böùc xaï maët trôøi (I) C A B Năng lượng bức xạ mặt trời chiếu trên mặt đất (S) S = I.E.F-1 = I.Sin(ho) S: năng lượng bức xạ mặt trời chiếu đến một đơn vị diện tích mặt đất trong một đơn vị thời gian (calo.cm-2.s-1) I: cường độ bức xạ mặt trời (calo.cm-2.s-1). E: diện tích của mặt phẳng [CB] vuông góc với tia tới (cm2). F: diện tích của mặt phẳng nằm ngang [AB] (cm2). ho: là góc giữa chùm tia tới và mặt phẳng nằm ngang ( o) Các dạng bức xạ mặt trời trong khí quyển trái đất Bức xạ mặt trời trực tiếp (trực xạ, S’) • Trực xạ là năng lượng bức xạ mặt trời chiếu thẳng từ mặt trời đến mặt đất dưới dạng các tia song song • Cường độ trực xạ phụ thuộc vào độ cao mặt trời, độ cao so với mực nước biển, vĩ độ địa lý, điều kiện thời tiết, địa hình (độ dốc, hướng dốc), • Cứ lên cao 1 km thì cường độ trực xạ tăng lên 0,1 – 0,2 calo.cm-2.s-1. • Trời nhiều mây thì mặt đất nhận được trực xạ ít. • Cường độ trực xạ ở triền dốc hướng đông, tây lớn hơn ở vùng bắc, nam. Các dạng bức xạ mặt trời trong khí quyển trái đất Bức xạ khuếch tán (D)  Bức xạ khuếch tán (D) phụ thuộc vào bước sóng tia tới (), độ cao mặt trời (ho), độ vẩn đục của không khí, kích thước của các vật thể gây khuếch tán (chất khí, bụi, ).  Cường độ bức xạ khuếch tán thường nhỏ hơn nhiều so với trực xạ: cường độ bức xạ trực tiếp vào những ngày trời trong và trời đầy mây được ghi nhận lần lượt là 0,10 – 0,25 calo.cm-2.s-1 và 0,05 – 0,10 calo.cm-2.s-1  Trong tự nhiên, bầu trời trong những ngày quang mây có màu xanh da trời là do các bước sóng ngắn (lam, chàm, tím, ) bị khuếch tán ở tầng cao của khí quyển. Các dạng bức xạ mặt trời trong khí quyển trái đất Bức xạ tổng cộng (tổng xạ, Q) Q = S’ + D  Tổng xạ có vai trò quan trọng trong quá trình hình thành chế độ khí hậu của vùng. Tổng xạ phụ thuộc vào độ cao mặt trời ho, lượng mây, độ vẫn đục của khí quyển, vĩ độ địa lý, địa hình,  Trong những ngày trời trong vắt, khi độ cao mặt trời tăng, bức xạ khuếch tán giảm xuống thì tổng xạ gần bằng trực xạ.  Thông thường tổng xạ tăng dần từ xích đạo đến địa cực. Tuy nhiên, ở cùng vĩ độ, tổng xạ ở vùng sa mạc (trời luôn trong sáng) lớn hơn ở vùng ven biển nhiều lần.. Các dạng bức xạ mặt trời trong khí quyển trái đất Phản xạ (Rn) • Phản xạ là phần bức xạ mặt trời, đặc biệt là sóng ngắn, bị “dội” trở lại khí quyển khi bức xạ mặt trời tiếp xúc với một bề mặt nào đó. Mức độ phản xạ tùy thuộc vào tính chất bề mặt của vật chất mà bức xạ mặt trời tiếp xúc (màu sắc, độ nhẵn, độ xốp, độ ẩm) và góc tới của chùm bức xạ. • Albedo (suất phản xạ) của bề mặt một vật thể xác định là tỷ lệ giữa năng lượng phản xạ (Rn) và tổng xạ (Q) A(%) = (Rn/Q)x100 Các dạng bức xạ mặt trời trong khí quyển trái đất Bức xạ sóng dài mặt đất (Eđ)  Khi nhận năng lượng bức xạ mặt trời, mặt đất nóng lên. Theo định luật thứ nhất nhiệt động học, nhiệt năng của trái đất tiếp tục chuyển hóa sang dạng khác, đó là bức xạ sóng dài mặt đất.  Bức xạ sóng dài mặt đất phụ thuộc vào nhiệt độ mặt đất, khả năng bức xạ tương đối () của bề mặt.  Khả năng bức xạ tương đối () là tỷ số giữa bức xạ mặt đất và vật đen tuyệt đối. Ơ cùng một nhiệt độ thông thường bức xạ mặt đất nhỏ hơn bức xạ từ vật đen tuyệt đối. Các bề mặt khác nhau có khả năng bức xạ tương đối khác nhau. Các dạng bức xạ mặt trời trong khí quyển trái đất Bức xạ sóng dài khí quyển (bức xạ nghịch khí quyển, Engh)  Tương tự như mặt đất, không khí khi hấp thu năng lượng bức xạ mặt trời cũng nóng lên và bức xạ ra xung quanh (trong đó có phần hướng xuống mặt đất) dưới dạng sóng dài.  Cường độ bức xạ sóng dài khí quyển đến mặt đất phụ thuộc vào vĩ độ địa lý, vân độ, lượng hơi nước, bụi trong khí quyển.  Ở vĩ độ trung bình, khi bầu trời quang mây, bức xạ bước sóng dài khí quyển đền mặt đất khoảng 0,4 – 0,5 calo.cm- 2.s-1; nếu trời đầy mây, bức xạ bước sóng dài khí quyển tăng thêm khoảng 20 – 30%.  Ở nước ta, trong mùa đông, nếu lượng hơi nước trong khí quyển cao  bức xạ bước sóng dài khí quyển lớn  oi bức, khó chịu; ngược lại nếu trời quang, độ ẩm thấp  lạnh giá. Các dạng bức xạ mặt trời trong khí quyển trái đất Bức xạ hữu hiệu (Ehh) Ehh = Eđ - Engh  Bức xạ hữu hiệu phản ánh biến động của năng lượng mặt đất do các quá trình bức xạ: Ehh > 0: nhiệt độ mặt đất giảm Ehh  0: nhiệt độ mặt đất ít biến đổi.  Bức xạ hữu hiệu phụ thuộc vào trạng thái thời tiết, độ ẩm không khí, nhiệt độ, lượng mây, hàm lượng CO2 và CO trong không khí, - Hàng ngày Ehh đạt cực đại vào lúc 12:00 – 14:00, và cực tiểu lúc 4:00 – 5:00. - Trong năm, Ehh mùa hè lớn hơn mùa đông. - Ehh ở những vùng khí hậu lục địa lớn hơn ở những vùng khí hậu ven biển. - Hàm lượng CO2 và CO trong không khí cao  Ehh giảm  nhiệt độ mặt đất tăng: hiện tượng hiệu ứng nhà kính. Cân bằng bức xạ mặt trời trên mặt đất B = S’ + D + Engh – Rn – Eđ = Q – Ehh – Rn B: cân bằng năng lượng bức xạ mặt đất; S’: bức xạ mặt trời trực tiếp (trực xạ); D: bức xạ khuếch tán; Engh: bức xạ sóng dài khí quyển (búc xạ nghịch khí quyển); Rn: phản xạ; Eđ: bức xạ sóng dài mặt đất; Q: bức xạ tổng cộng (tổng xạ); Ehh: bức xạ hữu hiệu.  Thông thường cân bằng bức xạ ban ngày có giá trị dương, ban đêm có giá trị âm. Ngoại trừ ở vùng địa cực quanh năm băng tuyết, cân bằng bức xạ ở những vùng khác đều có giá trị dương, trong đó cân bằng bức xạ ở vùng xích đạo và vùng nội chí tuyến có trị số lớn nhất.  Cân bằng bức xạ âm thì mặt đất mất nhiệt và lạnh đi nhanh chóng Nguyên nhân gây nên hiện tượng suy giảm cường độ bức xạ mặt trời khi xuyên qua khí quyển - Hơi nước, khí CO2, O3, bụi, trong khí quyển hấp thu năng lượng bức xạ mặt trời tạo thành nhiệt năng và gây ra hàng loạt các phản ứng ion hóa. - Các tia bức xạ mặt trời bị khuyếch tán theo nhiều hướng khác nhau khi đi vào bầu khí quyển. - Một phần lớn năng lượng bức xạ mặt trời bị các đám mây phản xạ trở lại vào không gian. Ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến sự sống của sinh vật – Quá trình quanh hợp Diệp lục tố hấp thu năng lượng bức xạ mặt trời giúp thực vật đồng hóa H2O và CO2 (chất vô cơ) thành chất hữu cơ đầu tiên cho sự sống của sinh vật 6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2 – Bức xạ quang hợp (Photosynthesis Active Radiation, PAR) là phần năng lượng bức xạ mặt trời được thực vật sử dụng để tiến hành quang hợp, có bước sóng  từ 0,38 – 0,71, Điểm bù ánh sáng của thực vật là cường độ bức xạ mặt trời tối thấp mà cây trồng có thể quang hợp và tích lũy được sản phẩm hữu cơ, thường có giá trị từ 0,02 – 0,03 cal.cm-2.s-1. aùnh saùng dieäp luïc – Hiệu suất sử dụng bức xạ mặt trời của thực vật • Hiệu suất sử dụng bức xạ mặt trời của hệ sinh thái là tỷ lệ giữa phần năng lượng mà hệ đó sử dụng cho các hoạt động sống và tổng năng lượng đến cùng đơn vị diện tích và thời gian. • Thực vật chỉ sử dụng được rất ít năng lượng bức xạ mặt trời cho quang hợp, hiệu suất sử dụng bức xạ mặt trời của mỗi hệ sinh thái khác nhau • Để sử dụng tốt năng lượng bức xạ mặt trời  Người ta xây dựng các biện pháp kỹ thuật canh tác tối ưu để duy trì diện tích lá thích hợp trong từng giai đoạn sinh trưởng của cây trồng.  Khuynh hướng hiện nay của các nhà sinh lý thực vật và chọn tạo giống là tạo ra các giống cây có hình dáng thích hợp để bộ lá nhận được nhiều ánh sáng. – Tác động của độ dài chiếu sáng đối với thực vật • Mối quan hệ giữa thực vật với độ dài ngày được gọi là chế độ quang kỳ.Trên cơ sở phản ứng của cây với quang kỳ, các cây được phân loại thành các cây ngày ngắn, ngày dài hay trung gian  Cây ngày ngắn là cây sẽ chỉ ra hoa khi quang kỳ ngắn bằng hay ngắn hơn thời gian ngưỡng  Cây ngày dài là cây sẽ chỉ ra hoa nếu trong đó thời gian chiếu sáng dài hơn thời gian ngưỡng Cây trung tính là cây ra hoa và hoàn thành chu kỳ sinh trưởng sinh sản trên một khoảng rộng của độ dài ngày • Ứng dụng phản ứng quang kỳ của cây trồng người ta có thể xây dựng thời vụ theo mục đích thu hoạch, xử lý ra hoa trái vụ, kích thích sinh trưởng dinh dưỡng, nhập nội giống, Biện pháp nâng cao hệ số sử dụng bức xạ mặt trời trong sản xuất nông nghiệp - Chọn tạo giống, quy hoạch vùng sản xuất - Bố trí cơ cấu cây trồng, thời vụ, mật độ khoảng cách, các kỹ thuật quản lý - chăm sóc (trong xen, trồng dặm, làm cỏ, tưới nước, bón phân, bảo vệ thực vật, )